Регистрация / Вход
Прислать материал

14.574.21.0092

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.574.21.0092
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рязанский государственный радиотехнический университет"
Название доклада
Разработка методов проектирования и технологий создания интегрированных микроэлектромеханических систем (МЭМС)
Докладчик
Суворов Дмитрий Владимирович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Целью проекта является разработка методов проектирования и технологии изготовления нового класса интегрированных магнитоуправляемых микроэлектромеханических МЭМС-коммутаторов средней мощности.
Задачами проекта являются:
-Обеспечение высокой электроэрозионной стойкости контактных площадок MEMS-коммутаторов;
-Обеспечение высокой чувствительности к уровню магнитного поля, при условии одновременно высоких параметров силы контактного нажатия;
-Изготовление экспериментальных образцов интегрированных МЭМС.
Актуальность и новизна исследования
В настоящее время актуальным направлением развития датчиков, управляемых внешним магнитным полем является их миниатюризация. Миниатюризация датчиков на основе магнитоуправляемых контактов (герконов) сопряжена с рядом технических и технологических трудностей обусловленных рядом физических ограничений и особенностей их конструкции. Так в настоящее время существуют герконы с размером баллона порядка 2 мм (производитель – фирма OKI) и дальнейшее уменьшение их размеров не прогнозируется. Использование в качестве функционального элемента малогабаритных датчиков приборов другого класса – датчиков Холла, обладающих меньшими габаритами в ряде случаев не приемлемо по причине необходимости обеспечения их питанием в режиме ожидания и высокого сопротивления в активном состоянии.
Продуктом производства данного проекта является новый класс приборов – микромеханические коммутационные элементы управляемые внешним магнитным полем, изготовленного по MEMS-технологии. MEMS-коммутатор (микропереключатель) сочетает в себе преимущества герконов (не требует постоянного питания в режиме ожидания, обладает малым коммутационным сопротивлением, простая обвязка в электрической схеме включения) и датчиков Холла (малые габариты, высокая точность определения положения).
Использование магнитоуправляемых MEMS-коммутаторов взамен герконов и датчиков Холла позволит существенно снизить энергопотребление устройства, что особенно важно для мобильных устройств (мобильные телефоны), уменьшить габариты датчиков, повысить ресурс и надежность работы, обеспечить высокую точность определения положения (за счет малых размеров).
Описание исследования

Разработана лабораторная методика изготовления интегрированных магнитоуправляемых МЭМС-коммутаторов. Основным требованием, предъявляемым к технологии изготовления интегрированных МЭМС-коммутаторов является отсутствие сложных и трудоемких операций, а также малые энерго- и ресурсозатраты. В ходе работы была исследована технология производства интегрированных планарных МЭМС-коммутаторов с применением аддитивных методов. При нанесении маски фоторезиста экспериментальным путем были подобраны температура и скорость ламинирования, интенсивность и время экспонирования. Были исследованы процессы травления Cu и FeNi в двух растворах – надсернокислого аммония и шестиводного хлорного железа. В качестве жертвенного слоя, формирующего межконтактный зазор, были исследованы два вида пластика: полиметилметакрилат (PMMA) и акрилонитрилбутадиенстирол (ABS). 

С целью унификации процесса проектирования нового класса интегрированных МЭМС было разработано программно-алгоритмическое обеспечение, для чего были рассчитаны параметрические модели коммутаторов в широком диапазоне геометрических параметров. По полученным данным были найдены зависимости магнитной чувствительности B и инерционной стойкости G от зависимых конструктивных параметров.

Для нахождения элементарных функций магнитной чувствительности и инерционной стойкости по исходным расчетным точкам был использован метод наименьших квадратов (МНК) и пакет прикладных программ MATLAB. Полученные интерполяционные зависимости являются основой программы для расчета параметров (магнитной чувствительности и инерционной стойкости) интегрированных МЭМС-коммутаторов. Разработанное программно-алгоритмическое обеспечение имеет возможность выбора в широком диапазоне значений входных параметров:

- ширина концентратора Y = 200…2000 мкм;

- межконтактный зазор D = 1…100 мкм;

- длина контактного перекрытия S = 0…500 мкм;

- длина балки L = 200…2000 мкм;

- толщина балки M = 1…100 мкм;

- ширина балки K = 5…1000 мкм.

Указанные пределы допускают разработку и проектирование интегрированных магнитоуправляемых МЭМС-коммутаторов, линейные размеры которых составляют от 1 до 10 мм.

С целью изучения перспектив коммерциализации РИД, полученных при выполнении ПНИ, были проведены маркетинговые исследования, которые показали, что в силу присущих МЭМС-коммутаторам преимуществ по сравнению с конкурирующей продукцией (датчики Холла) – отсутствие необходимости дополнительной системы обработки сигнала, полное отсутствие собственного энергопотребления, миниатюрные габариты и SMD-монтаж – конкурентоспособность магнитоуправляемого МЭМС -коммутатора на рынке напрямую зависит от его цены.

 Программа  и методика испытаний экспериментальных образцов интегрированных МЭМС-коммутаторов включает в себя методики измерения основных эксплуатационных характеристик магнитоуправляемых МЭМС-коммутаторов:

– измерение магнитной чувствительности и ее динамической погрешности к магнитному полю интегрированного МЭМС;

– измерение коммутируемого тока интегрированного МЭМС под действием магнитного поля;

– измерение сопротивления коммутации интегрированного МЭМС;

– измерение рабочего напряжения интегрированного МЭМС;

– измерение геометрических размеров интегрированных МЭМС;

– измерение сопротивления изоляции интегрированных МЭМС;

– измерение паразитной емкости интегрированных МЭМС;

– измерение напряжения пробоя интегрированных МЭМС.

Каждая методика предполагает выполнение комплекса операций на специализированных стендах.

С целью исследования патентоспособности разрабатываемого планарного магнитоуправляемого МЭМС-коммутатора были проведены патентные исследования. Патентный поиск проводился в соответствии с ГОСТ Р. 15.011-96. Поиск патентной информации проводился в патентных базах данных Федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам Российской Федерации (Роспатент, www.fips.ru), Бюро по патентам и товарным знакам США (USPTO, www.uspto.gov) и Европейского патентного бюро (EPO, ep.espacenet.com).

В соответствии с разработанной методикой была проведена диагностика дефектов разработанных интегрированных МЭМС-коммутаторов, которая включала в себя оценку отклонения основных параметров коммутатора от заданных величин.

Результаты исследования

Разработана лабораторная методика изготовления интегрированных магнитоуправляемых МЭМС-коммутаторов, объединяющих функции сенсорных, управляющих и исполнительных элементов. Разработанная методика содержит в себе полный перечень технологических операций изготовления основных функциональных элементов устройства (магнитная система, межконтактный зазор, контактное покрытие, электрические выводы) в соответствии с разработанной ранее планарной конструкцией интегрированного магнитоуправляемого МЭМС-коммутатора. Экспериментально исследованы основные технологические операции аддитивной технологии изготовления интегрированных МЭМС. Сформулированы подробные рекомендации по условиям и режимам проведения каждой технологической операции.

Разработано программно-алгоритмическое обеспечение проектирования нового класса интегрированных МЭМС по характеристикам динамической точности. В основу программы вошли интерполяционные зависимости характеристик интегрированных МЭМС-коммутаторов, полученные путем расчета разработанных параметрических математических моделей. Программно-алгоритмическое обеспечение позволяет проектировать конструкции интегрированных магнитоуправляемых МЭМС-коммутаторов по характеристикам динамической точности в широком диапазоне линейных размеров их функциональных элементов, что позволяет создавать устройства с различной максимальной коммутируемой мощностью, а также рассчитывать характеристики интегрированных МЭМС, такие как магнитная чувствительность и инерционная стойкость, от базовых геометрических параметров. 

Изготовлены экспериментальные образцы интегрированных МЭМС-коммутаторов, объединяющих функции сенсорных, управляющих и исполнительных элементов. За счет использования аддитивных технологий значительно снижено количество технологических процессов при изготовлении интегрированных МЭМС и обеспечены высокое латеральное разрешение.

Проведены маркетинговые исследования и изучены перспективы коммерциализации результатов интеллектуальной деятельности, полученных при выполнении работ по проекту. Целевыми рынками для магнитоуправляемого МЭМС-коммутатора являются: на мировом рынке – потребительская электроника и промышленность, на российском рынке – автомобильная промышленность и промышленность. Ценовое преимущество магнитоуправляемого МЭМС-коммутатора на российском рынке является наиболее значимым, поскольку импортные сенсоры на российском рынке стоят в 1,5 ‑ 2 раза дороже, чем на мировом.

Разработана программа и методики испытаний экспериментальных образцов интегрированных МЭМС, позволяющие оценить качество их изготовления и функционирования, которые включают в себя методики измерения таких параметров как магнитная чувствительность и динамическая погрешность чувствительности, коммутируемый ток под действием магнитного поля, сопротивление коммутации, рабочее напряжение, геометрические размеры, сопротивление изоляции, паразитной емкости и напряжения пробоя.

Разработанные в рамках данного проекта интегрированные магнитоуправляемые МЭМС-коммутаторы имеют следующие характеристики: длина – 7,3 мм, ширина – 4,3 мм, высота – 3,2 мм, величина магнитодвижущей силы ­– 150÷ 200 мТл, величина контактного сопротивления – не более 0,65 Ом, число циклов коммутации – 106.

Практическая значимость исследования
Разработанные лабораторные методики изготовления интегрированных магнитоуправляемых МЭМС-коммутаторов имеют огромную практическую значимость, поскольку детально описывают последовательность технологических операций изготовления каждого конструктивного элемента коммутатора.
Разработанное программно-алгоритмическое обеспечение проектирования нового класса интегрированных МЭМС по характеристикам динамической точности может быть использовано для расчета и оценки характеристик магнитоуправляемых МЭМС-коммутаторов в широком диапазоне линейных размеров.
Разработанный интерфейс, обеспечивающий возможность экспортирования конструкции МЭМС-коммутатора, созданной в разработанном программно-алгоритмическом обеспечении путем генерирования файла в универсальном формате трехмерной графики, может быть использовано при применении в процессе изготовления интегрированного МЭМС аддитивных технологий, таких как 3D-принтинг.
Сформулированные рекомендации и отработанные технологии в процессе изготовления интегрированных МЭМС-коммутаторов, могут быть полезными при внедрении данного типа устройств промышленное массовое производство.
Проведенные маркетинговые исследования могут быть использованы при коммерциализации результатов интеллектуальной деятельности.
Разработанные программы и методики испытаний экспериментальных образцов интегрированных МЭМС могут быть использованы при проведении тестовых испытаний для выявления несоответствия какого-либо параметра заявленным требованиям.
Результаты проведенных дополнительных патентных исследований могут быть использованы при дальнейшем развитии проекта и защите результатов интеллектуальной деятельности.
Результаты проведенной диагностики дефектов разработанных интегрированных МЭМС могут быть использованы для дальнейшей модернизации и совершенствования технологии изготовления приборов данного типа.
Результаты популяризации научных исследований проекта могут быть использованы при коммерциализации разработанного интегрированного магнитоуправляемого МЭМС-коммутатора.
Постер

Poster_0092.ppt